資料介紹
石墨烯是目前最為先進(jìn)的二維材料之一,具有諸多的優(yōu)異性能,例如高電導(dǎo)率,超高的強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱性,這都使得石墨烯成為如今最為火熱的材料之一,將石墨烯優(yōu)異的電化學(xué)性能與鋰離子電池結(jié)合是我們電池人的夢(mèng)想。納米技術(shù)可制備具有納米尺度的材料,減少Li+擴(kuò)散距離,顯著提升材料的倍率性能,但是納米材料也會(huì)帶來振實(shí)密度下降、高比表面積的問題,導(dǎo)致電極材料的副反應(yīng)增加,限制了納米技術(shù)在鋰離子電池上的應(yīng)用。
近日來自美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的Kan-Sheng Chen等人將兩種技術(shù)結(jié)合在了一起,制備了石墨烯包覆納米錳酸鋰(nano-LMO)材料,不僅僅充分利用了石墨烯材料的高性能,還解決了納米材料副反應(yīng)多的問題,該材料具有優(yōu)異的倍率性能和低溫性能,室溫下,20C大倍率下能獲得初始容量的75%,在-20℃下容量幾乎沒有衰降。
實(shí)驗(yàn)中Kan-Sheng Chen制備了nano-LMO(66.7wt%),石墨烯納米片(7.3wt%)漿料,乙基纖維素(26wt%)作為穩(wěn)定劑,NMP作為溶劑的漿料。其中石墨烯不僅僅作為導(dǎo)電劑,研究顯示石墨烯還能夠在納米LMO顆粒的表面形成一層薄的界面膜結(jié)構(gòu),從而顯著的改善LMO材料的界面穩(wěn)定性,減少M(fèi)n元素的溶解。在利用超聲波分散后,將漿料涂布在Al箔的表面,經(jīng)過干燥后,LMO會(huì)與石墨烯片形成穩(wěn)定、高密度和均勻的電極層。最后將電極在285℃下焙燒3h獲得無粘接劑電極,電極的活性物質(zhì)含量為90wt%,導(dǎo)電劑的含量為10wt%。
SEM研究顯示,該方法很好的抑制了納米顆粒的團(tuán)聚,石墨烯片也均勻的分散在電極之中,高分辨率TEM顯示,在LMO顆粒的表面也包覆了一層石墨烯。
該電極的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如下圖所示,圖a為扣式電池充放電數(shù)據(jù),無論是充電還是放電,電池均呈現(xiàn)出了4.0V和4.1V兩個(gè)電壓平臺(tái)。圖b是電池的dQ/dV曲線,從圖上我們可以看到充放電峰僅相差10mV,表明電池的極化很小,具有良好的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性。從圖c和圖d我們可以看到相比于沒有經(jīng)過石墨烯處理的LMO材料,石墨烯包覆后顯著的提升了LMO材料循環(huán)性能,在半電池中循環(huán)350次容量保持率為95%,對(duì)照組僅為80%。在石墨負(fù)極的全電池中,石墨烯包覆后的LMO材料具有幾乎與半電池相同的循環(huán)性能,但是對(duì)照組的電池循環(huán)250次后,容量衰降就超過了35%。這表明石墨烯包覆層很好的穩(wěn)定了LMO/電解液界面,減少了Mn的溶解,提高了電池的循環(huán)性能。
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